Dòng điện

Dòng điện là dòng chuyển dịch có hướng của các hạt mang điện. Trong các mạch điện, dòng điện tạo ra do sự chuyển dịch của các điện tử âm dọc theo dây dẫn. Ngoài ra, hạt mang điện cũng có thể là các ion hoặc chất điện ly. Trong trường hợp plasma thì cả ion và electron đều đóng vai trò này.

Thí dụ Dòng điện

• Sét là một dòng điện mạnh, gồm các ion hay electron di chuyển bởi lực Culông giữa các đám mây mang điện trái dấu, hoặc giữa đám mây tích điện và mặt đất,
• Gió Mặt Trời, là các điện tích bay ra từ Mặt Trời, khi rơi vào khí quyển Trái Đất có thể gây ra hiện tượng cực quang.
• Dòng di chuyển của các electron trong dây kim loại khi nối giữa hai điện cực của một pin.
• Trong điện tử học, dòng điện có thể là dòng chuyển động của electron trong dây dẫn điện kim loại, trong các điện trở, hay là dòng chuyển động của các ion trong pin, hay dòng chảy của các hố điện tử trong vật liệu bán dẫn.
• Trong plasma, các electron, ion âm và dương có thể di chuyển tự do, và sẽ di chuyển thành dòng, khi nằm trong điện trường.
• Trong nước đá hay một số chất rắn điện phân, các proton có thể di chuyển thành dòng điện.

Quy ước , Ký hiệu và đơn vị đo lường

Dòng điện là dòng dịch chuyển của các điện tích di chuyển thẳng hàng trong vật do có một áp lực của một lực điện tác động trên vật . Dòng điện có ký hiệu $I$ đo bằng đơn vi, Ampere A

$I=1A={\frac {1V}{1C}}$

Theo quy ước

Dòng điện chảy từ nới có nhiều điện tử âm đến nơi có ít điện tử âm . Dòng điện sẻ đi từ Điện cực âm đến Điện cực dương

Cường độ dòng điện

Cường độ dòng điện đều

Cường độ dòng điện qua một bề mặt được định nghĩa là lượng điện tích di chuyển qua bề mặt đó trong một đơn vị thời gian. Nó thường được ký hiệu bằng chữ I, từ chữ tiếng Pháp Intensité, nghĩa là cường độ. Trong hệ SI, cường độ dòng điện có đơn vị ampe.

$I={\frac {Q}{t}}=(q_{1}+q_{2}+q_{3}+...+q_{n})/t$

Cường độ dòng điện trung bình

Cường độ dòng điện trung bình trong một khoảng thời gian được định nghĩa bằng thương số giữa điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian đó và khoảng thời gian đang xét.

$I_{tb}={\Delta Q \over \Delta t}$

Trong đó,

• I _tb là cường độ dòng điện trung bình, đơn vị là A (ampe)
• ΔQ là điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian Δt, đơn vị là C (coulomb)
• Δt là khoảng thời gian được xét, đơn vị là s (giây)

Cường độ dòng điện tức thời

Khi khoảng thời gian được xét vô cùng nhỏ ($\Delta t->0$) , ta có cường độ dòng điện tức thời:

$I={dQ \over dt}$

Vậy,

$Q=\int Idt$

Cường độ dòng điện trong vật liệu

$I=JA=\sigma EA=\sigma {\frac {V}{l}}A=GV$

Dòng điện của dẩn điện

	Hình	Công thức
Điện trở		$I={\frac {V}{R}}$
Cuộn từ		$I={\frac {B}{L}}$
Tụ điện		$I={\frac {Q}{t}}$

Tốc độ dòng điện

Dòng điện chảy theo một hướng, nhưng các điện tích đơn lẻ trong dòng chảy này không nhất thiết chuyển động thẳng theo dòng. Ví dụ như trong kim loại, electron chuyển động zigzag, va đập từ nguyên tử này sang nguyên tử kia; chỉ nhìn trên tổng thể mới thấy xu hướng chung là chúng bị dịch chuyển theo chiều của điện trường.

Tốc độ di chuyển vĩ mô của các điện tích có thể tìm được qua công thức

$I=n.A.v.q$

Với:

$I$ là cường độ dòng điện.

$n$ là số hạt tích điện trong một đơn vị thể tích.

$A$ là diện tích mặt cắt của dây dẫn điện.

$v$ là tốc độ di chuyển vĩ mô của các hạt tích điện.

$q$ là điện tích của một hạt tích điện.

Ví dụ, một dây đồng với diện tích mặt cắt bằng 0.5 mm², mang dòng điện có cường độ 5 A, sẽ có dòng electron di động với tốc độ vĩ mô là vài millimét trên giây. Ví dụ khác, các electron chuyển động trong bóng hình của tivi theo đường gần thẳng với tốc độ cỡ 1/10 tốc độ ánh sáng.

Tốc độ di chuyển vĩ mô của dòng điện không nhất thiết phải là tốc độ truyền thông tin của nó. Tốc độ truyền thông tin của dòng điện trong dây đồng nhanh gần bằng tốc độ ánh sáng. Đó là do, theo lý thuyết điện động lực học lượng tử, các electron truyền tương tác với nhau thông qua photon, hạt chuyển động với vận tốc ánh sáng. Sự di chuyển, có thể là chậm chạp, của một electron ở một đầu dây, sẽ nhanh chóng được biết đến bởi một electron ở đầu dây kia, thông qua tương tác này. Điều này cũng giống như khi đầu tàu hỏa chuyển động với vận tốc nhỏ (ví dụ vài cm/s), gần như ngay lập tức toa cuối cùng của đoàn tàu cũng nhận được thông tin và chuyển động theo. Chuyển động tổng thể của đoàn tàu là chậm, nhưng thông tin lan truyền dọc theo đoàn tàu rất nhanh (vào cỡ tốc độ âm thanh lan truyền dọc theo tàu).

Mật độ dòng điện

Mật độ dòng điện (ký hiệu là $\sigma$) là dòng điện chạy qua 1 mm² tiết diện dây dẫn

$\sigma ={\frac {dI}{dS}}$

Phụ tải lâu dài của dây đồng và dây nhôm có bọc cách điện

Đường kính, mm	Tiết diện, mm2	Dòng điện cho phép của dây đồng A	Dòng điện cho phép của dây nhôm A	Dây chảy cầu chì là dây đồng, A
0,96	0,75	13	13	4
1,1	1	16	16	6
1,4	1,5	20	16	10
1,8	2,5	27	21	15
2,25	4	35	28	20
2,75	6	45	37	25
3,5	10	65	51	35
4,5	16	86	68	50
5,6	25	115	90	60

Mật độ dòng điện có ý nghĩa trong thiết kế mạch điện, trong điện tử học. Các thiết bị tiêu thụ điện thường bị nóng lên khi có dòng điện chạy qua, và chỉ hoạt động tốt dưới một mật độ dòng điện an toàn nào đấy; nếu không chúng sẽ bị nóng quá, chảy hoặc cháy. Ngay cả trong vật liệu siêu dẫn, nơi điện năng không bị chuyển hóa thành nhiệt năng, mật độ dòng điện lớn quá có thể tạo ra từ trường quá mạnh, phá hủy trạng thái siêu dẫn.

Định luật Dòng điện

Định luật Ohm

Định luật Ohm nói rằng cường độ dòng điện chạy qua một điện trở (hoặc các thiết bị Ôm) tuân theo:

$I={\frac {V}{R}}$

Với

$I$ là cường độ dòng điện ($A$)

$V$ là hiệu điện thế giữa 2 đầu đoạn mạch ($V$)

$R$ là điện trở ($\Omega$)

Định luật Ohm vi phân

Ngoài ra, để xét đến trạng thái dòng điện tại từng yếu tố vi phân của dòng điện, người ta còn dùng 1 dạng khác của định luật Ohm đó là định luật Ohm vi phân:

$J=\sigma E={\frac {E}{\rho }}$

Với:

$J={\frac {dI}{dS}}$ là mật độ dòng điện ($A.m^{-2}$)

$\sigma ={\frac {1}{\rho }}$ là độ dẫn điện ($\Omega ^{-1}.m^{-1}$)

$E$ là cường độ dòng điện ($V.m^{-1}$)

Định luật Watt

Định luật Watt nói rằng năng lượng điện tỉ lệ thuận với Điện thế và Dòng điện tuân theo

$U=IV=I^{2}R={\frac {V^{2}}{R}}$

Định luật Kirchhoff

Tổng giá trị đại số của dòng điện tại một nút trong một mạch điện là bằng không . Tại bất kỳ nút (ngã rẽ) nào trong một mạch điện, thì tổng cường độ dòng điện chạy đến nút phải bằng tổng cường độ dòng điện từ nút chạy đi

$\sum _{k=1}^{n}{I}_{k}=0$ .

$\sum _{k=1}^{n}{\tilde {I}}_{k}=0$

Với

n là tổng số các nhánh với dòng điện chạy vào nút hay từ nút ra.

Tác hại của Dòng điện

Độ nguy hiểm của điện giật phụ thuộc vào cường độ dòng điện, vào thời gian dòng điện chạy qua người, và vào đường đi của dòng điện trên cơ thể người. Nói chung:

• 1 mA gây đau nhói.
• 5 mA gây giật nhẹ.
• 50 đến 150 mA có thể giết chết người, bằng các tác động như rhabdomyolysis (phân hủy cơ), hay làm suy thận cấp (do chất độc của cơ bị phân hủy đi vào máu).
• 1 đến 4 A gây loạn nhịp tim, và lưu thông máu bị gián đoạn.
• 10 A gây ngừng tim (cầu chì trong gia đình thường tự ngắt ở cường độ dòng này).
• Dòng điện chạy qua tim và não là nguy hiểm nhất.

Đa phần các nguồn điện nguy hiểm có hiệu điện thế ổn định, nên theo định luật Ohm, cường độ dòng điện phụ thuộc vào điện trở trên đường truyền qua người và điện áp tiếp xúc. Đối với dòng lớn, nó phụ thuộc thêm các hệ thống hạn chế dòng lớn trong mạch điện (như cầu chì). Dòng điện qua người phụ thuộc vào điện trở người. Điện áp tiếp xúc càng cao thì dòng điện qua người càng lớn. Điện trở lớn thì dòng điện nhỏ.

Điện trở của người tùy thuộc vào điều kiện tiếp xúc với dòng điện

Điều kiện	Điện trở khi khô ráo	Điện trở khi ẩm ướt
Chạm tay vào dây điện	40.000 Ω - 1.000.000 Ω	4.000 Ω - 15.000 Ω
Cầm vào dây điện	15.000 Ω - 50.000 Ω	3.000 Ω - 5.000 Ω
Cầm vào ống nước	5.000 Ω - 10.000 Ω	1.000 Ω - 3.000 Ω
Chạm gan bàn tay vào đường điện	3.000 Ω - 8.000 Ω	1.000 Ω - 2.000 Ω
Nắm chặt một tay vào ống nước	1.000 Ω - 3.000 Ω	500 Ω - 1.500 Ω
Nắm chặt hai tay vào ống nước	500 Ω - 1.500 Ω	250 Ω - 750 Ω
Nhúng tay vào nước hay chất lỏng dẫn điện tốt	-	200 Ω - 500 Ω
Nhúng chân vào nước hay chất lỏng dẫn điện tốt	-	100 Ω - 300 Ω

Điện trở cũng thay đổi tùy người, theo giới tính, tuổi, kích thước, điều kiện sức khỏe. Theo bảng trên, nếu xét trường hợp điện trở người trong khoảng 500 Ω đến 1000 Ω thì điện áp khoảng 20 V đến 50 V cũng đủ tạo ra dòng điện cỡ 50 mA và giết chết người.

Tần số dòng điện càng cao (trên 500 Hz) càng ít nguy hiểm vì dòng điện chỉ đi ngoài da và không làm co cơ bắp. Dòng điện có tần số từ 25–100 Hz là dòng điện nguy hiểm nhất.